李洋，李亮，陳妮，吳有嶺，楊吟飛，馮誠(chéng)能，何寧

南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院

1 引言

智能化和自動(dòng)化已成為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。刀具作為工藝系統(tǒng)中的重要組成部分，與工件加工質(zhì)量的關(guān)系最為密切。精確把握換刀時(shí)機(jī)、保證刀具最大化使用與加工質(zhì)量是智能制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在數(shù)控加工過(guò)程中，實(shí)時(shí)評(píng)估刀具磨損狀態(tài)十分重要，采用優(yōu)良的刀具磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)可以有效減少因技術(shù)故障或工人主觀原因?qū)е碌耐C(jī)次數(shù)，將故障停機(jī)時(shí)間減少75%，使生產(chǎn)效率提高10%～60%[1，2]。對(duì)于切削過(guò)程來(lái)說(shuō)，刀具磨損會(huì)導(dǎo)致刀具切削性能下降，從而影響工件的加工質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)可能引起崩刃，造成工件報(bào)廢。因此，準(zhǔn)確識(shí)別刀具磨損情況，通過(guò)提前換刀或改變切削參數(shù)等措施降低刀具磨損對(duì)加工過(guò)程的影響具有重要意義。

刀具磨損狀態(tài)的檢測(cè)方法總體可分為直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法。直接檢測(cè)法通過(guò)觀察測(cè)量刃部的磨損寬度、磨損面積等來(lái)評(píng)估刀具磨破損狀態(tài)。目前常用的檢測(cè)設(shè)備有體式顯微鏡、接觸式探測(cè)儀和工業(yè)照相機(jī)等，其優(yōu)勢(shì)是直接檢測(cè)出刀具磨損情況，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。但在加工過(guò)程中，刀具始終與工件接觸，且存在切削液與切屑的干擾問題，導(dǎo)致直接法在實(shí)際加工過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。

目前應(yīng)用較多的檢測(cè)方法是間接檢測(cè)法[3]，相比直接檢測(cè)法更加靈活便捷，且容易實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。間接檢測(cè)法基于切削加工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)多物理場(chǎng)屬性，利用各種傳感器檢測(cè)能夠反應(yīng)刀具磨損狀態(tài)的物理信號(hào)?，F(xiàn)在主要應(yīng)用的信號(hào)有切削力信號(hào)[4-6]、聲發(fā)射信號(hào)、機(jī)床主軸電流及功率信號(hào)、刀具振動(dòng)信號(hào)等。其中，振動(dòng)信號(hào)由于所需檢測(cè)儀器數(shù)量少、振動(dòng)傳感器工藝成熟且對(duì)于刀具磨損變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好而備受青睞。Bouhalais M.L.等[7]通過(guò)采集硬質(zhì)合金車刀切削AISI 1045非合金碳鋼的振動(dòng)信號(hào)，應(yīng)用譜峭度與信號(hào)能量，量化了刀具振動(dòng)與刀具磨損的相關(guān)性。Ahmad M.A.等[8]利用Z陷波濾波器和綜合峰度技術(shù)，監(jiān)測(cè)切削加工中的振動(dòng)信號(hào)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)毒吣p及切削速度增加時(shí)，I-Kaz系數(shù)會(huì)變小。Rmili W.等[9]利用加速度傳感器分別對(duì)車削、銑削和鉆削加工過(guò)程中的刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。Prasad B.S.等[10]利用多普勒測(cè)振儀測(cè)量了車削過(guò)程中進(jìn)給方向的振動(dòng)幅值，并利用其進(jìn)行刀具磨損狀態(tài)的識(shí)別。

銑削加工過(guò)程中的刀具受力復(fù)雜，且銑削刀具制備復(fù)雜，價(jià)格昂貴，因此銑削過(guò)程一直是刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)[11]。銑刀在切削過(guò)程中不斷地切入和切出工件，在銑削過(guò)程中一直存在振動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)?shù)度心p后，在切削工件時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng)信號(hào)。因此，在銑削過(guò)程中，振動(dòng)信號(hào)與刀具磨損狀態(tài)關(guān)密切相關(guān)。目前主流的銑削過(guò)程刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法有兩種：一是將傳感器與信號(hào)處理單元、傳輸單元和供電單元集成在刀柄內(nèi)，即智能刀柄，其缺點(diǎn)是對(duì)刀柄原始結(jié)構(gòu)有所破壞，降低了刀柄強(qiáng)度及剛度，且專用廠商生產(chǎn)的智能刀柄價(jià)格不菲，不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用；二是將傳感器貼于工件上，這種方法的局限性是振動(dòng)信號(hào)會(huì)受傳感器安裝位置的影響，且需要不斷地拆裝傳感器，使用不便。

本文基于刀柄振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)，研發(fā)出一種能夠適應(yīng)不同尺寸刀柄和不同工況的刀具振動(dòng)監(jiān)測(cè)環(huán)。在尺寸僅為15mm×25mm×4mm的電路板上集成了MPU9250加速度傳感器、STM32F103微控制器、WiFi通信芯片、外圍輔助電路與供電電路，利用3D打印技術(shù)制做外殼。同時(shí)，編寫了配套的數(shù)據(jù)分析處理軟件，能夠?qū)崟r(shí)采集接收振動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行識(shí)別。最后進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，以考察不同切削參數(shù)對(duì)于刀柄振動(dòng)的影響程度。結(jié)果表明：本系統(tǒng)性能良好，可靠性高，監(jiān)測(cè)精度高且安裝使用方便，可為工業(yè)化刀具磨損監(jiān)測(cè)提供新的解決方案。

2 硬件設(shè)計(jì)

在監(jiān)測(cè)環(huán)外殼的電路板上集成有加速度傳感器、WiFi通信模塊、微處理器、外圍輔助電路、電池和開關(guān)等。加速度傳感器采集到數(shù)據(jù)后，通過(guò)IIC(Inter-Integrated Circuit)總線傳輸給微處理器，經(jīng)微處理器預(yù)處理后，通過(guò)串行通信接口傳輸給WiFi通信模塊。通信模塊將信號(hào)傳輸給電腦，由上位機(jī)軟件進(jìn)行信號(hào)接收、處理以及儲(chǔ)存。信號(hào)傳輸流程見圖1。

圖1 信號(hào)處理流程

硬件系統(tǒng)由供電模塊、信號(hào)采集及發(fā)送模塊、充電模塊、外圍輔助電路組成。除電源、開關(guān)及充電接口外，整個(gè)硬件系統(tǒng)集中在一塊尺寸為15mm×25mm×4mm的PCB電路板上，布局緊湊(見圖2)。

(a)正面

2.1 主控芯片

綜合考慮處理器性能、功耗和價(jià)格，硬件主芯片采用STM32F103T8U6，其核心為高性能的ARM Cortex-M3 32位RISC內(nèi)核，該型號(hào)單片機(jī)在8MHz工作頻率下功耗最小。為了嚴(yán)格控制整個(gè)智能刀柄系統(tǒng)的功耗，確定單片機(jī)的工作頻率為8MHz。

2.2 振動(dòng)傳感器

綜合考慮量程、靈敏度和可靠性，傳感器采用Inven Sense公司的MPU9250加速度傳感器。該型號(hào)傳感器的尺寸非常小(僅3mm×3mm×1mm)，其三軸加速度計(jì)可以檢測(cè)到X、Y和Z軸的加速度信號(hào)，屬于電容式傳感器，可以抵抗住10000g的沖擊，可靠性高。檢測(cè)量程選用±16g，靈敏度為2048LSB/g，正常工作的電流為450μA，采樣頻率最大為4kHz。綜合考慮系統(tǒng)工作穩(wěn)定性與實(shí)際加工環(huán)境的需要，本系統(tǒng)設(shè)置采樣頻率為2kHz，與處理器之間采用IIC通信。

2.3 無(wú)線傳輸芯片

綜合考慮傳輸速率、傳輸距離、功耗以及裝置復(fù)雜程度，傳輸芯片選用MXCHIP公司的EMW3081 WiFi模塊。其工作頻率為2.4GHz，帶寬為20MHz，工作標(biāo)準(zhǔn)為11n，最大傳輸速率為72.2Mbps，理論傳輸距離為100m，滿足高采樣率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)條件下海量數(shù)據(jù)的傳輸要求。深度睡眠模式下的工作電流僅為16μA，滿足低功耗要求，且能與電腦直接連接來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，裝置簡(jiǎn)單。

2.4 電源及充電模塊

電源采用2000mAh高密度鋰電池，尺寸為62mm×24mm×8mm，輸出電壓為3.7V。為保護(hù)系統(tǒng)各個(gè)元器件，采用XC6210B332MR穩(wěn)壓芯片。該芯片可承受最大輸入電壓為6.00V，輸出電壓穩(wěn)定在3.30～3.35V。

充電模塊采用TP4056充電管理芯片，保證電池充電時(shí)溫度在合理范圍內(nèi)，充電電流設(shè)定為1000mA，充電電壓為5V，充電方式采用磁吸式充電。其中，電路主體部分(即信號(hào)采集與發(fā)射模塊的電路)原理如圖3所示。

圖3 信號(hào)采集發(fā)射模塊電路原理

3 外殼設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)環(huán)外殼采用3D打印工藝制造，材料為白色樹脂，整體不可拆分，密封性良好。采用IPX7級(jí)防水開關(guān)和磁吸充電接頭，采用防水蓋設(shè)計(jì)進(jìn)一步確保整體密封，因此裝置具有良好的防水性能，監(jiān)測(cè)環(huán)的環(huán)境適應(yīng)性良好，不受切削液和切屑的干擾。

監(jiān)測(cè)環(huán)外殼采用柔性設(shè)計(jì)，利用螺栓螺母夾緊，能夠良好地夾持在直徑80mm內(nèi)的所有刀柄上。外殼基體的四個(gè)旋轉(zhuǎn)軸心呈菱形分布，夾緊時(shí)能自定心，滿足刀柄旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)平衡要求。四部分基體與刀柄接觸一側(cè)表面上加工有φ2mm的半圓柱面，夾緊時(shí)，半圓柱面發(fā)生微形變，增大與刀柄的接觸面積與摩擦力，使夾持更加牢固。強(qiáng)力彈簧使監(jiān)測(cè)環(huán)在撐開時(shí)自動(dòng)收緊，方便裝夾。PCB板與開關(guān)磁吸頭的放置倉(cāng)之間留有隔板，即使當(dāng)監(jiān)測(cè)環(huán)長(zhǎng)期使用老化或者受損而導(dǎo)致開關(guān)或磁吸充電頭處滲入液體時(shí)也不會(huì)觸及造價(jià)昂貴的PCB板。刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)環(huán)的三維模型及實(shí)物分別見圖4a和圖4b。

(a)刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)環(huán)三維模型

4 數(shù)據(jù)接收軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接收軟件采用MATLAB程序編寫，考慮到信號(hào)接收的實(shí)時(shí)性與工作效率，硬件系統(tǒng)與電腦間采用UDP協(xié)議連接。在接收程序中，點(diǎn)擊“開始采集”后，實(shí)時(shí)接收三軸加速度數(shù)據(jù)，并生成.txt文件，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。如果想直觀地觀察實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)變化，點(diǎn)擊顯示區(qū)右端的復(fù)選框就會(huì)顯示相應(yīng)軸的振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)波形。系統(tǒng)內(nèi)部帶有振動(dòng)信號(hào)特征提取與模式識(shí)別模型，每采集100次數(shù)據(jù)，模型便會(huì)判斷一次當(dāng)前刀具磨損狀態(tài)，以Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級(jí)反應(yīng)磨損程度。其中，Ⅰ級(jí)代表后刀面磨損帶VB=0～0.2mm，屬于初期磨損階段；Ⅱ級(jí)代表VB=0.2～0.4mm，屬于正常磨損階段；Ⅲ級(jí)代表VB>0.4mm，屬于急劇磨損階段。模型判斷當(dāng)前振動(dòng)信號(hào)屬于哪一級(jí)磨損狀態(tài)，相應(yīng)的指示框就會(huì)亮起(Ⅰ級(jí)：綠色；Ⅱ級(jí)：黃色；Ⅲ級(jí)：紅色)，如圖5所示。

(a)初期磨損

5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

本試驗(yàn)旨在驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及可靠性。工件為45鋼，尺寸為60mm×60mm×100mm，采用臺(tái)式虎鉗裝夾；銑刀齒數(shù)為1，銑刀桿直徑32mm。通過(guò)螺栓螺母將刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)環(huán)緊固在刀柄上，銑削時(shí)跟隨刀柄一起轉(zhuǎn)動(dòng)。試驗(yàn)設(shè)備見圖6。

圖6 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)為粗加工平面銑削，采用正交試驗(yàn)，三個(gè)因素分別為切削速度、每齒進(jìn)給量和切削深度。切削寬度固定為0.5mm，具體水平值見表1。

表1 三因素三水平對(duì)照表

切削速度的計(jì)算公式為

Vc=π×D×n/1000

(1)

式中，D為刀桿直徑(mm)；n為主軸轉(zhuǎn)速(r/min)。

進(jìn)給速率的計(jì)算公式為

Vf=fz×n×N

(2)

式中，fz為銑刀的每齒進(jìn)給量(mm/z)；n為主軸轉(zhuǎn)速(r/min)；N為齒數(shù)。

換算成實(shí)際的銑削加工參數(shù)后見表2。

表2 加工參數(shù)

MPU9250加速度傳感器測(cè)量的是絕對(duì)加速度，當(dāng)傳感器隨刀柄旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生向心加速度與切向加速度，傳感器Y軸方向接近切向，與刀具切入、切出方向基本一致，刀具振動(dòng)幅值最大，因此本文分析Y軸方向的振動(dòng)信號(hào)。為排除機(jī)床空轉(zhuǎn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，在三種轉(zhuǎn)速下分別測(cè)量30s的空轉(zhuǎn)絕對(duì)加速度值，觀察信號(hào)變化，并對(duì)其求均方根，結(jié)果見表3，銑削試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 空轉(zhuǎn)加速度相關(guān)指標(biāo)

表4 三因素三水平正交試驗(yàn)

進(jìn)行的空轉(zhuǎn)試驗(yàn)及三因素三水平正交試驗(yàn)結(jié)果顯示：機(jī)床主軸空轉(zhuǎn)均方根值占加工時(shí)振動(dòng)信號(hào)均方根值的比例在0.84%～5.43%，9組試驗(yàn)平均占比為3.32%，因此，機(jī)床空轉(zhuǎn)噪聲對(duì)本次銑削試驗(yàn)刀具振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)影響很小，可以忽略不計(jì)。各個(gè)因素的三個(gè)水平數(shù)值均成倍增加，從各因素對(duì)應(yīng)的極差R及圖7可以得出，三個(gè)因素對(duì)于刀柄振動(dòng)的影響程度從大到小依次為切削速度、切削深度和每齒進(jìn)給量。經(jīng)測(cè)試，在電量充滿的情況下，監(jiān)測(cè)環(huán)能夠持續(xù)正常工作10～12h，滿足絕大多數(shù)加工環(huán)境的需要。試驗(yàn)驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

圖7 各因素下振動(dòng)信號(hào)的變化

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于銑削加工時(shí)的刀具振動(dòng)信號(hào)開發(fā)出一套刀具磨損狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中，主體部分為集成了MPU9250加速度傳感器、STM32F103T8U6微控制器和EMW3081 WiFi模塊的印刷電路板。采樣頻率為2kHz，采樣量程±16g，靈敏度2048LSB/g，最大傳輸速率為72.2Mbps，理論傳輸距離為100m，實(shí)測(cè)連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)10～12h，滿足絕大多數(shù)加工場(chǎng)合的監(jiān)測(cè)需求。外殼采用柔性設(shè)計(jì)，體積小巧，防水性和普適性好，能夠在不破壞刀柄原有結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)避免了有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的諸多問題。

上位機(jī)軟件采用MATLAB程序編寫，能夠直接在交互界面上看到當(dāng)前振動(dòng)信號(hào)的波形并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，軟件內(nèi)部含有信號(hào)特征提取與模式識(shí)別程序，將實(shí)時(shí)判斷當(dāng)前刀具磨損狀態(tài)并在人機(jī)交互界面上顯示。

綜上所述，本系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)銑削振動(dòng)監(jiān)測(cè)手段的缺點(diǎn)，為刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的商業(yè)化廣泛應(yīng)用提供了新的解決方案。